студ ивт 22 материалы к курсу физики / belonuchkin_ve_zaikin_da_tsipeniuk_ium_kurs_obshchei_fiziki
.pdf12.9 ] |
Вблизи абсолютного нуля |
601 |
XXI в. оно достигнет 104 Тл. Если это произойдет, то техника сильных магнитных полей откроет новый удивительный мир, поскольку эти поля близки к пределу так называемой «химической катастрофы», когда радиус орбиты внешнего электрона атома в магнитном поле становится порядка боровского радиуса.
12.9. Вблизи абсолютного нуля
Изучение свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю, началось с 1908 г. Тогда в лаборатории Камерлинг-Оннеса в Лейдене (Голландия) впервые был получен жидкий гелий, температура конденсации которого при обычном давлении составляет всего лишь 4,2 К. Последующее развитие исследований в области низких температур показало, сколь разнообразны физические явления вблизи абсолютного нуля, которые могут быть объяснены только на основе квантовомеханических представлений. При низких температурах хаотическое тепловое движение частиц практически прекращается, флуктуации перестают «замазывать» их индивидуальные свойства и режиссером их поведения становится квантовая механика.
Из всех необычных состояний материи при низких температурах наиболее замечательными несомненно являются сверхтекучие жидкости, или сверхжидкости, как их часто называют для краткости. Они являются, пожалуй. единственными примерами состояний вещества, в которых наиболее ярко в макроскопическом масштабе проявляются квантовые закономерности. Существуют только три сверхжидкоети: сверхтекучий 4Не, электронный газ в сверхпроводниках и сверхтекучий 3Не (правда следует отметить, что существует еще одна экзотическая возможность — нейтронная жидкость в недрах нейтронных звезд).
Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта П.Л. Капицей в 1937 г., а теория этого явления была чуть позже, в 1941 г., разработана Л.Д. Ландау. Явление сверхтекучести состоит в том, что при температуре 2,2 К вязкость жидкость скачком становится равной нулю, происходит фазовый переход II рода в совершенно новое, сверхтекучее состояние. Жидкий гелий-II (так называется сверхтекучий гелий) свободно вытекает из сосуда через любую щель.
Необычное состояние гелия при температурах ниже 2,2 К видно, что называется, невооруженным глазом. Понизить температуру жидкого гелия достаточно просто, для этого путем откачки его паров уменьшают давление над поверхностью. При откачке паров гелия из криостата (сосуда наподобие сосуда Дьюара, в котором хранится жидкий гелий; в повседневной жизни сосуды Дьюара — это термосы, долго сохраняющие температуру
602 |
Заключение |
[ Гл. 12 |
находящихся в них продуктов, в частности чая, кофе, супа) жидкий гелий бурно кипит за счет проникающего извне тепла, что отчетливо видно через стеклянное окошко. Так продолжается, пока мы не достигнем критической точки, когда вдруг все это бурное кипение неожиданно прекращается и жидкость становится абсолютно спокойной.
Кипение жидкости с пузырьками, образующимися в объеме, происходит из-за больших градиентов температур внутри жидкости. Полное спокойствие жидкого гелия-II, несмотря на продолжающуюся откачку, — это отражение того факта, что температура всей жидкости внезапно становится всюду одной и той же. Иными словами, теплопроводность, характеризующая перенос тепла в жидкости, внезапно становится почти бесконечной.
Причина перехода жидкого гелия в сверхтекучее состояние — образование так называемого бозе-конденсата его атомами. Хотя структурные единицы атома гелия — два протона, два нейтрона и два электрона — являются фермионами, объединяясь вместе, они образуют бозон. Основное свойство бозонов состоит в том, что можно поместить любое их число в одно квантовое состояние. Такой переход и происходит при критической температуре, когда тепловое движение не может противостоять бозе-конденсации атомов. Как указывалось в гл. 10, посвященной сверхпроводимости, бозе-конденсация электронов возможна потому, что электроны образуют куперовские пары и становятся бозонами. Тем самым в сверхпроводящем состоянии электроны образуют заряженную сверхжидкость. Сверхпроводимость есть не что иное, как безвязкостное течение электронов по проводнику, т. е. она является полным аналогом сверхтекучести.
Точно так же становится сверхтекучим и легкий изотоп гелия — 3Не. Атом 3Не является фермионом, так как у него всего один нейтрон, а не два, как у обычного гелия. Процесс спаривания атомов 3Не аналогичен процессу образования куперовских пар электронов в сверхпроводниках. Атомы попарно объединяются и тем самым превращаются в бозоны. Происходит переход 3Не в сверхтекучее состояние при значительно более низкой температуре – при температуре 2,5 мК. Это делает эксперименты с 3Не намного более трудными, однако 3Не обладает нескомпенсированным спином ядра, что обеспечивает богатый спектр возбуждения этой квантовой жидкости по сравнению с 4Не. Эти возбуждения регистрируются при рассеянии холодных нейтронов на 3Не, и получаемая информация вполне оправдывает приложенные усилия.
Исследования в области температур, отстоящих от абсолютного нуля на тысячные и даже миллионные (а иногда и миллиардные) доли градуса, не ограничиваются только изучением
12.9 ] |
Вблизи абсолютного нуля |
603 |
сверхтекучих свойств 3Не. Не менее экзотические свойства демонстрируют и твердые вещества, особенно это касается изучения магнитных свойств твердых тел при столь низких температурах.
«Обычные» магнетики становятся ферромагнитными или антиферромагнитными (спонтанно намагничиваются) при температурах в несколько десятков или даже сотен градусов. Магнитное упорядочение обязано обменному (чисто квантовому по своей природе) взаимодействию атомных электронов. Такие вещества иногда называют электронными магнетиками. Однако магнитным моментом обладают и ядра, а их магнитный момент по порядку величины равен ядерному магнетону Бора, т. е. примерно в 2 000 раз меньше. Поэтому спонтанное магнитное упорядочение в системе ядерных спинов происходит при значительно более низких температурах — в области милликельвинов и ниже. Так ядра меди упорядочиваются антиферромагнитным образом при температуре 58 нК, а ядра родия образуют ферромагнитный порядок при 280 пК. Охлаждение вещества до столь низких температур производится методом адиабатического размагничивания ядер.
Конечно, наблюдение магнитного упорядочения ядер требует экстремальных условий, но система ядерных спинов в металле является очень удобным объектом для изучения общих вопросов магнетизма. Эта область исследований получила свое название — ядерный магнетизм. Существенно, что ядра хорошо локализованы, при низких температурах они изолированы от электронных и решеточных степеней свободы, а взаимодействие между ними может быть рассчитано из первых принципов.
Чем современные теории отличаются от теорий классической физики? Разумеется, они позволили куда точнее, чем раньше, предсказывать ход многих явлений, а также предсказали и позволили открыть немало явлений, неизвестных ранее. Но классическая физика тоже было всеобъемлющей и хорошо развитой теорией. Она и сейчас сохранила значение как предельный или частный случай новых теорий, которые, когда дело доходит до чисел, нередко дают лишь малые поправки к классике. Но каждая из современных фундаментальных физических теорий открыла поразительные факты тождественности внутренней природы явлений, которые до этого уму человека представлялись совершенно независимыми и даже несовместимыми по самой своей сути.
Казалось бы, все это относится к области «чистой науки». Но одним из основных итогов XX в. явилось то, что называется
научно-техническая революция. Глубокое понимание законов природы привело к бурному проникновению научных достижений в многочисленные области «обычной» человеческой деятельности — в медицину, энергетику, экологию, информатику, электронику, биологию. В этом процессе трудно переоценить роль физики, которая является фундаментом естествознания.